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超高壓對食品中微生物的影響

文檔作者：李仁杰王永濤廖小軍文檔來源：中國農業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院, 國家果蔬加工工程技術研究中心, 農業(yè)部果蔬加工重點實驗室,		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年06月28日
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第5 卷 第8 期 食品安全質量檢測學報 Vol. 5 No. 8
2014 年8 月 Journal of Food Safety and Quality Aug. , 2014
基金項目: 農業(yè)部“948”重點項目(“引進國際先進農業(yè)科學技術”項目)(2011-G20)
Fund: Supported by the Project “Recommend International Advanced Agricultural Science and Technology Plan” (2011-G20 (4)) of the “948”
project of Ministry of Agriculture of China
*通訊作者: 廖小軍, 博士, 博士生導師, 教授, 主要研究方向為農產品加工及貯藏。E-mail: liaoxjun@hotmail.com
*Corresponding author: LIAO Xiao-Jun, Professor, College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, No.17,
Qinghua East Road, Beijing 100083, China. E-mail: liaoxjun@hotmail.com
超高壓對食品中微生物的影響
李仁杰, 王永濤, 廖小軍*
(中國農業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院, 國家果蔬加工工程技術研究中心,
農業(yè)部果蔬加工重點實驗室, 北京 100083)
摘要: 超高壓是一種新型食品加工技術, 已廣泛應用于食品的非熱加工。本文詳細綜述了超高壓對食品中微
生物的影響。在超高壓條件下微生物的細胞壁、細胞膜被破壞, 引起細胞形態(tài)結構的改變; 微生物細胞內的結
構蛋白、酶等在超高壓條件下被鈍化, 導致微生物正常的代謝功能和增殖能力被破壞; 在超高壓條件下微生物
的蛋白組和基因組也產生了一定的變化, 許多與抗逆有關的蛋白質和基因表達上調, 許多抗逆基因過量表達。
這些都是微生物在超高壓作用下死亡的主要原因。
關鍵詞: 超高壓; 微生物; 細胞膜; 酶; 蛋白組; 基因組
Effects of high hydrostatic pressure on microorganisms in foods
LI Ren-Jie, WANG Yong-Tao, LIAO Xiao-Jun*
(National Engineering Research Center for Fruit and Vegetable Processing, Key Laboratory of Fruit and Vegetable
Processing, Ministry of Agriculture, College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University,
Beijing 100083, China)
ABSTRACT: As a novel non-thermal food processing technology, high hydrostatic pressure (HHP) is now widely
used in food industry. This article reviewed the effect of high hydrostatic pressure on microorganisms. The cell
wall and cell membrane of microorganisms are destroyed by HHP which induces the changes of morphology. The
inactivation of structural protein, enzymes and other functional proteins by HHP induces the damage of
metabolism and multiplying of microorganisms. The proteomics and genome of microorganisms are also
influenced by HHP. The amount of proteins and gene expressing involved in stress response areup-regulated.
KEY WORDS: high hydrostatic pressure; microorganism; cell membrane; enzyme; proteomics; genome
1 引 言
超高壓技術(ultra-high pressure, UHP)或高靜壓技術
(high hydrostatic pressure, HHP)是指將食品密封在柔性容
器內, 以水或其他液體作為傳壓介質, 在常溫或稍高于常
溫（25?60 ℃）下進行100?1000 MPa 的加壓處理, 維持一
定時間后以達到殺菌、鈍酶、改性、有效成分提取等目
的[1]。超高壓只作用于對生物大分子立體結構有貢獻的氫
鍵、離子鍵和疏水鍵等非共價鍵, 對維生素、色素和風味
物質等小分子化合物的共價鍵無明顯影響, 從而使食品較
好地保持了原有的營養(yǎng)、色澤和風味[2]。超高壓技術已廣
泛應用于果蔬制品、肉制品、乳制品等食品的非熱殺菌以
2524 食品安全質量檢測學報 第5 卷
及牡蠣、蝦等海產品的脫殼加工。
超高壓通過破壞細胞膜、核糖體等細胞的外部與內部
結構以及細胞內重要蛋白質, 使細胞的物質代謝和能量代
謝失去平衡, 從而導致微生物死亡[3]。本文將從微生物的
內、外結構以及細胞膜、酶、蛋白組和基因組等方面介紹
超高壓對微生物的影響。
2 超高壓對不同微生物的致死效果
微生物中對超高壓最敏感的是異尖線蟲、隱孢子蟲等
原生動物和寄生蟲, 100~400 MPa 的壓力可以將其完全殺
死[4,5]; 其次為霉菌和酵母, 一般需要300~500 MPa 的壓力
使其死亡, 但霉菌的子囊孢子耐壓能力較強, 如絲衣霉
(Byssochlamysnivea)子囊孢子在700 MPa、70 ℃條件下處
理30 min 減少了4 個對數(shù)[6]; 細菌的營養(yǎng)體對壓力的敏感
性與細菌的種類有關, 300~500 MPa 的壓力可以使革蘭氏
陰性菌(G-)減少3 個對數(shù)以上, 與G-相比, 革蘭氏陽性菌
(G+)細胞壁含有豐富肽聚糖, 相對較厚, 細胞外膜構造簡
單, 其耐壓性更高[3]; 細菌芽孢具有較厚的芽孢衣和皮層
等特殊結構, 芽孢內遺傳物質水分活度和代謝活動極低,
在常溫下具有極強的抗壓能力, 采用多次超高壓循環(huán)處理
以及超高壓與其他手段如加熱、輻射、超聲波、脈沖電場
等結合能夠有效地將細菌芽孢殺死[7,8]; 病毒的抗壓能力
根據(jù)病毒的種類和結構而有所不同, 一般來說具有衣殼病
毒的抗壓能力高于裸病毒, 脊髓灰質炎病毒抗壓能力最強,
在450 MPa, 21 ℃的壓力下處理5 min, 對其沒有顯著影
響[9]。超高壓對不同微生物的致死效果見表1。
3 超高壓對微生物細胞結構的影響
不同強度的壓力對微生物細胞的傷害不同, 50~100
MPa 的壓力會抑制細胞內蛋白質的合成和可逆的變性; 當
壓力為100~200 MPa 時微生物的外部形態(tài)被破壞, 細胞膜
發(fā)生損傷; 大于300 MPa 時會造成微生物細胞內DNA 結
合蛋白、結構蛋白、酶等重要的蛋白質不可逆的變性[3,10]。
3.1 超高壓對微生物細胞形態(tài)的影響
超高壓處理會影響微生物的外部形態(tài), 主要表現(xiàn)為
處理后細菌表面形成突起或凹陷, 細胞膨脹、變形甚至破
裂。未處理的L. monocytogenes 細胞表面光滑, 呈規(guī)則的橢
圓形(圖1A), 經(jīng)過400 MPa 處理10 min 后, 部分細胞整體
形狀被破壞, 細胞表面形成突起, 甚至破裂(圖1B)[11]。正
常狀態(tài)下, L.mesenteroides 呈規(guī)則串珠狀結構, 細胞表面光
滑(圖1C), 超高壓處理(500 MPa, 35 ℃, 15 min)過后, 串珠
狀結構被破壞, 部分細胞表面形成突起(圖1D)[12]。此外, 超
高壓處理還會導致微生物細胞膨脹, 體積增大。L.
monocytogenes 經(jīng)600 MPa 處理后細胞體積增加3 倍以上[13]。
Pilavtepe-Çelik 等研究發(fā)現(xiàn)S.aureus 和E. coli 經(jīng)400 MPa 處
理后, 細胞體積明顯增大[14]。黑曲霉(Aspergillusniger)的孢
子正常情況下呈規(guī)則圓形(圖1E), 經(jīng)200 MPa 處理后, 85%
被破壞, 孢子外殼破裂, 內部物質流出(圖1F)[15]。
除外部形態(tài)以外, 超高壓處理還會導致細胞內物質的
變化, 微生物細胞中的蛋白質、遺傳物質等會在超高壓作用
下發(fā)生變性, 在細胞內形成沉淀。透射電鏡顯示未處理L.
monocytogenes 細胞質分布均一(圖2A), 400 MPa 處理 6 min
后, 細胞質形成沉淀(如圖2B, 箭頭指向處為細胞內沉
淀)[10]。L.viridescens(圖2C, 為未處理細胞), 經(jīng)600 MPa 處
理5 min 以后, 細胞發(fā)生之壁分離, 細胞內的遺傳物質呈絲
狀纖維狀(圖2D 中白色箭頭指向處)[16]。Kaletunç 等[12]采用
透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)腸膜明串珠菌經(jīng)500 MPa 處理后細胞內
會形成沉淀, 并指出這些沉淀是超高壓導致蛋白質變性引
起的。由于DNA 分子穩(wěn)定性高, 能耐受1000 MPa 的壓力,
因此細胞內沉淀可能與超高壓引起的DNA 變性無直接關
系[17]。有關超高壓導致細胞內物質形成沉淀的解釋有多種。
DNA 與DPS 等DNA 結合蛋白結合, 形成穩(wěn)定的高聚物存
在于細胞內, Mohamed 等認為超高壓處理導致DNA 結合蛋
白變性破壞了遺傳物質的穩(wěn)定性[10]; Malone 等[18]還發(fā)現(xiàn)超
高壓會抑制dps 基因(編碼DPS 蛋白)的轉錄, 導致DPS 合成
量減少; Kaletunç 等[12]認為超高壓破壞了細胞膜, 導致細胞
內的Mg2+濃度降低, 降低了遺傳物質的穩(wěn)定性。
3.2 超高壓對微生物細胞膜的影響
細胞膜是微生物細胞的重要組成部分, 具有保護細
胞、能量轉換、物質運輸和信息專遞與識別等功能, 其主
體由磷脂雙分子層和具有生物活性的膜蛋白組成, 依靠分
子之間的氫鍵和疏水作用保持結構穩(wěn)定[19]。超高壓處理能
夠破壞細胞膜的完整性并使膜蛋白與膜分離, 破壞細胞膜
的選擇透過性和其他生理功能[20]。Manãs 等[21]發(fā)現(xiàn)E. coli
經(jīng)600 MPa 處理8 min 后, 99.9%的細菌被殺死。同時, 細
胞膜內、外側出現(xiàn)突起, 細胞失去了在高濃度鹽溶液中質
壁分離的能力, 細胞內的RNA 和K+、Mn2+、Mg2+等物質
流出細胞, 碘化丙啶(PI)透過細胞膜與DNA 結合, 充分說
明E. coli 細胞膜的完整性被破壞。L. monocytogenes 和
Salm.Typhimurium 經(jīng)400 MPa 處理后細胞質中K+濃度由
300 mmol/L 降低到5 mmol/L 以下, 說明超高壓破壞了微
生物細胞膜維持離子平衡的能力[13]。Klotz 等[22]發(fā)現(xiàn)超高
壓導致E. coli 細胞膜受損, 細胞內蛋白大量流出, 通過對
比超高壓處理中和處理后進入細胞內部PI 的熒光強度, 發(fā)
現(xiàn)部分細胞能夠修復超高壓引起的細胞膜損傷。
膜蛋白是細胞膜上負責執(zhí)行細胞內外的物質運輸、能
量轉換和信號識別等功能的重要單元, 超高壓處理會導致
微生物膜蛋白活性降低或與膜分離。Na+, K+-ATP 酶是一個
跨脂膜的Na+, K+-泵, 通過水解ATP 提供能量主動向外運
輸Na+而向內運輸K+, 超過200 MPa 的超高壓處理會導致
Na+, K+-ATP 酶結構不可逆的改變, α 和β 亞基分離[23]。
第8 期 李仁杰, 等: 超高壓對食品中微生物的影響 2525
表1 超高壓對不同微生物的致死效果
Table 1 Inactivation of HHP to microorganism
名稱 緩沖液 壓力(MPa) 溫度(℃) 時間
(min)
致死效果
(-log10)
參考
文獻
G+
金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)
UHT 奶
600
20
15
2
[24]
禽肉 3
單核細胞增生李斯特菌(Listeria monocytogenes)
375 20 15
＜1
[24]
禽肉 2
瑞士乳桿菌(Lactobacil hushelveticus) 羊奶 500 10 10 3 [25]
腸膜明串珠菌(Leuconostocmesenteroides) 磷酸鹽緩沖液 500 35 10 8 [12]
G-
空腸彎曲桿菌(Campylobacter jejuni)
豬肉漿
300
25
10
6
[26]
桑夫頓堡沙門氏菌(Salmonella Senftenberg 775W) 雞肉 340 23 10 ＜2 [27]
大腸桿菌(Escherichia coli O157:H7NCTC 12079 )
UHT 奶
600 20 15
＜2
[24]
禽肉 3
副溶血弧菌(Vibrio parahaemolyticus O3:K6) 牡蠣 300 10 3 5 [24]
熒光假單胞菌(Pseudomonas fluorescens) 羊奶 450 10 10 4 [24]
細菌芽孢熱解糖熱厭氧桿菌
(Thermoanaerobacteriumthermosaccharolyticum)芽孢
水
700
105
5
5
[28]
Clostridium tyrobutylicum芽孢 水 700 105 5 6 [28]
生芽孢梭狀芽孢桿菌
(Clostridium sporogenes)芽孢
水 700 105 5 7 [28]
解淀粉芽孢桿菌(Bacillus amyloliquefaciens)芽孢 水 700 105 5 7 [28]
球狀芽孢桿菌(Bacillussphaericus)芽孢 水 700 121 2 7 [24]
肉毒梭狀芽孢桿菌(Clostridium botulinum)芽孢 Tris-His 緩沖液 1400 100 2 4 [29]
B. amyloliquefaciens 芽孢 Tris-His 緩沖液 1200 120 2 4 [29]
B. subtilis 芽孢 水
50 MPa &amp;amp; 450 W, 20
kHz 超聲波 室溫 12 99% [30]
真菌
啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)
豬肉漿
300
20
10
2
[26]
絲衣霉(Byssochlamysnivea)子囊孢子
葡萄汁aW=0.97
700 70 30
4
[6]
覆盆子汁aW=0.84 <1
費舍爾曲霉(Aspergillusfischeri)子囊孢子 葡萄汁aW=0.97 300 60 60 5 [6]
正青霉(Eupenicillium)子囊孢子 葡萄汁aW=0.97 300 60 60 3 [6]
擬青霉屬(Paecilomyces)子囊孢子 葡萄汁aW=0.97 300 60 60 6 [6]
踝節(jié)菌(Talaromycesavellaneus)子囊孢子 蘋果汁 pH=3.45 600 17 60 2 [31]
其他微生物
異尖線蟲(Anisakis simplex)
魚肉
300
室溫
5
全部死亡
[5]
隱孢子蟲(Cryptosporidium parvum) 牡蠣肉 550 室溫 3 7 [4]
豬蛔蟲(Ascarissuum)卵 無 276 室溫 1 全部死亡 [32]
脊髓灰質炎病毒(Poliovirus) 培養(yǎng)基 450 21 5 無變化 [33]
A 型肝炎病毒(Hepatitis A virus) 牡蠣 400 10 1 ＞3 [33]
手足口病病毒(Foot and Mouth
Disease virus)
尿素(1 mol/L)培養(yǎng)基250 -15 60 ＞4 [34]
2526 食品安全質量檢測學報 第5 卷
圖1 超高壓處理后的微生物掃描電鏡照片
Fig. 1 Scanning electron micrographs of cells treated by high hydrostatic pressure
圖2 超高壓處理后的微生物透射電鏡照片
Fig. 2 Transmission electron microscopes of cells treated by high hydrostatic pressure
E. col 等原核生物細胞中ATP 與ADP 的轉換由位于細胞膜
上的F0F1-ATP 酶催化進行[19]。Wouters 等[35]發(fā)現(xiàn)植物乳桿
菌(Lactobacillus plantarum) F0F1-ATP 酶活性在250 MPa 時
開始降低, 350 MPa 處理10 min 后降低了80%。Tholozan
等也發(fā)現(xiàn)L. monocytogenes 和Salm.Typhimurium 經(jīng)400
MPa 處理后, 細胞內的ATP 濃度分別降低了90%和50%以
上[13]。600 MPa 改變了類球紅細菌(Rhodobactersphaeroides)
和嗜酸紅假單胞菌(Rhodopseudomonasacidophila)細胞膜上
光合作用蛋白的三級結構, 導致色素與蛋白分離, 失去了
光和作用的能力[36]。Ritz 等[37]研究發(fā)現(xiàn)Salm.Typhimurium
經(jīng)400 MPa 和600 MPa 處理后細胞膜上的12 種膜蛋白除
了LamB、OmpC 和OmpA 三種仍然與膜結合外, 其他9
種蛋白與膜分離。
3.3 超高壓對微生物細胞內部結構的影響
超高壓處理會引起微生物細胞內部結構的變化, 如
核糖體解離、細胞骨架解聚等[38,39]。55 MPa 的壓力會導致
枯草芽孢桿菌和大腸桿菌核糖體的50 S 和30 S 亞基分
離[40,41]。70 MPa 的壓力會使大腸桿菌細胞合成過程中的多
肽鏈與核糖體分離, 造成多肽的合成被中斷[42]。Niven 等[39]
采用DSC 研究發(fā)現(xiàn)250 MPa 處理20 min 導致E. coli 核糖
體變性。
細胞骨架(cytoskeleton)是指細胞中的蛋白纖維網(wǎng)絡結
構, 在維持細胞形態(tài)、承受外力、細胞分裂和保持細胞內
部結構的有序性等方面起著重要的作用。E. coli 等原核
第8 期 李仁杰, 等: 超高壓對食品中微生物的影響 2527
生物的細胞骨架由FtsZ、MreB 和CreS 三種蛋白組成,
FtsZ 能在細胞分裂位點裝配形成環(huán)狀結構, 并通過該
結構參與細胞分裂; MreB 能形成螺旋絲狀結構, 其主
要功能是維持細胞形態(tài); CreS 存在于新月柄桿菌
(Caulobactercrescentus)中, 在細胞凹面的細胞膜下面
形成彎曲絲狀或螺旋絲狀結構, 該結構對維持
C.crescentus 細胞的特殊形態(tài)具有重要作用[11]。Ishii
等[38]發(fā)現(xiàn)40 MPa 的壓力條件下, E. coli 細胞內FtsZ 蛋
白合成被抑制, 無法形成完整的細胞骨架, 導致細胞
無法正常分裂呈細絲狀存在, 無法形成菌落; 在30
MPa 壓力條件下E. coli 細胞內FtsZ 蛋白合成量開始減
少, 部分變性解聚, 長度小于3 μm(0.1 MPa 時FtsZ 蛋
白纖維的長度為5 μm); 當壓力升高至50 MPa 時FtsZ
蛋白的合成被完全抑制; 但當壓力恢復為常壓時, FtsZ
蛋白的合成恢復正常, 細胞分裂正常, 細絲狀細胞逐
漸恢復為正常狀態(tài)。
3.4 超高壓對微生物細胞內酶活性的影響
超高壓處理會降低微生物細胞內酶的活性, 甚至使
酶完全變性失活。酯酶活性的高低是微生物細胞代謝是否
旺盛的標志, L. monocytogenes 經(jīng)400 MPa 的壓力處理10
min 后, 酯酶活性降低了70%[11]。23 ℃、448 MPa 條件下
處理30 s, S.cerevisiae 的脂肪酶、胱氨酸芳基酰胺酶、纈氨
酸芳基酰胺酶、α-葡萄糖苷酶和E. coli 的酯酶、脂肪酶、
胱氨酸芳基酰胺酶、纈氨酸芳基酰胺酶、胰蛋白酶、α-葡
萄糖苷酶、β-葡萄糖醛酸酶被完全鈍化, E. coli 的亮氨酸芳
基酰胺酶部分鈍化, 而兩種微生物的磷酸水解酶活性變化
不大[43]。HorA 是L. plantarum 細胞內由質粒編碼并依靠
ATP 提供能量的轉運蛋白, 能夠提高細胞在啤酒中對酒精
和二氧化碳的耐受力, 600 MPa 會使HorA 完全鈍化, 此時
微生物也完全被殺死[44]。Simpson 等發(fā)現(xiàn)550 MPa 的壓力
會導致L. monocytogenes 細胞內6-磷酸葡萄糖脫氫酶、葡
萄糖-6-磷酸脫氫酶、甘油醛-3-磷酸脫氫酶、異檸檬酸脫氫
酶等多種代謝酶失活[45]。Chilukuri 等發(fā)現(xiàn)87 MPa 的超高
壓處理會完全抑制E. coli DNA 螺旋酶的活性, 從而抑制
DNA 超螺旋結構的形成[46]。
4 超高壓對微生物蛋白組和基因組的影響
4.1 蛋白組
超高壓處理能夠通過誘導微生物合成一些列特殊的
壓力誘導蛋白(pressure-induced proteins, PIPs)影響微生物
的蛋白組[47]。PIPs 的包括熱休克蛋白( heat shock proteins,
HSPs)、冷休克蛋白(cold shock proteins, CSPs)、核糖體蛋
白、轉錄因子和其他功能因子等[47-51]。50 MPa 的壓力能夠
誘導嗜熱產甲烷球菌(Methanococcus thermolithotrophicus)
產生一系列HSPs, 分子量介于38~70 kDa[49]。E. coli 在55
MPa 處理后能產生55 種PIPs, 其中大部分為CSPs 和
HSPs[47]。HSPs 是微生物體內應激反應中一類重要的蛋白,
可以作為伴侶蛋白與剛合成、錯誤折疊和受損的多肽結合,
恢復或維持其正常的構象[52]。Aertsen 等通過熱處理E. coli
細胞誘導產生大量的HSPs, 并對這些細胞進行超高壓處
理(250 MPa, 15 min), 發(fā)現(xiàn)這些細胞中的耐壓性顯著提高
了[53]。Lactobacillus sanfranciscensis 在150~200 MPa 的壓
力下CSPs 和核糖激酶合成量增加, GMP 合成酶的合成量
降低[51]。L. monocytogenes 經(jīng)100~200 MPa 的壓力處理后,
細胞內CSPs1 和CSPs2 的含量提高了2~3.5 倍[48]。CSPs
是微生物在適應低溫條件下, 細胞誘導合成的一系列蛋白
質, 他們的主要功能是作為RNA 分子伴侶與mRNA 結合,
阻止mRNA 二級結構的合成, 提高核糖核酸酶的催化效率
和促進翻譯的進行[54,55] 。10 ℃ 低溫培養(yǎng)的L.
monocytogenes 細胞內CSP1 和CSP3 的含量比37 ℃培養(yǎng)的
細胞分別增加了3.5 和10 倍, 且低溫培養(yǎng)的細胞經(jīng)超高壓
處理后存活率比37 ℃培養(yǎng)的細胞提高了100 倍[48]。Jofrè
等[50]發(fā)現(xiàn)400 MPa 的壓力能夠誘導L. monocytogenes、
Lactobacillus sakei、腸球菌(Enterococcus faecium)產生核糖
體蛋白、轉錄因子、DNA-mNA 聚合酶等PIPs, 這些蛋白
具有促進微生物基因的轉錄翻譯和穩(wěn)定細胞蛋白質構象的
作用[19]。
4.2 基因組
4.2.1 抗逆相關基因
超高壓會影響微生物與CSPs、HSPs 和核糖體蛋白的
表達相關的抗逆基因表達, 這些蛋白可以幫助微生物減少
或修復超高壓造成的細胞損傷, 增加微生物在高壓環(huán)境下
的生存能力[18,56,57]。
超高壓會引起微生物細胞的氧化損傷, Aertsen 等發(fā)現(xiàn)
100~400 MPa 的超高壓處理引起了E. coli 細胞內部的氧化
應激, 且隨著壓力的升高而增加[58]。Charoenwong 等、發(fā)現(xiàn)
各種DNA 修復酶基因(polA、recA 和xthA)缺陷型菌種也表
現(xiàn)出對高壓處理非常敏感, 并指出超高壓導致細胞產生的
各種反應氧化物(ROS)如氫過氧化物產生的羥基自由基造
成了DNA 的損傷[59]。超高壓對微生物抗逆基因表達的影
響見表2。
4.2.2 細胞膜和細胞壁相關基因
超高壓會造成微生物細胞膜和細胞壁的損傷, 相關
基因的表達也受到影響。這些基因包括磷壁酸、肽聚糖、
脂蛋白等各種細胞外膜組件合成基因以及與多種脂蛋白轉
運相關的合成與調節(jié)基因[57,59,60]。超高壓對細胞膜和細胞
壁相關基因表達的影響見表3。
4.2.3 信息加工及存儲基因
超高壓會抑制微生物DNA 的復制和轉錄, 包括造成
復制體解聚、DNA 雙螺旋結構破壞、對DNA 的壓縮導致
2528 食品安全質量檢測學報 第5 卷
表2 超高壓對微生物抗逆相關基因的影響
Table 2 Effects of HHP on the stress response genes of microorganism
名稱 基因功能 壓力
(MPa)
表達量變化(倍)
參考
文獻
E. coli
ibpA 編碼Hsps 蛋白 100 +1.9 [61]
cspA
編碼CspA 蛋白, CspA 會啟動一種擬核組織蛋白的翻譯, 這種蛋白可以控
制E. coli 在特殊環(huán)境下許多特殊基因的表達
100 +3.9 [61]
pphA
編碼一種絲氨酸/蘇氨酸磷酸酶, 這種酶可以在有蛋白錯誤折疊時積累熱
休克蛋白。
200 +2 [18]
dps
編碼DPS 蛋白, DPS 蛋白可以與DNA 結合, 保護DNA 免受氧化物質的侵
害。dps 表達下調有利于受超高壓損傷的DNA 在沒有DPS 蛋白的干擾下
盡快修復
同上 ?2.5 [18]
Nrd(nrdI, nrdH,
nrdE, nrdF)
編碼細胞內一類核苷酸還原酶, 這類酶含量可以保護DNA 免受反應氧化
物的傷害,
同上 +1~2.2 [18]
suf
調控細胞內鐵-硫蛋白的合成, 超高壓會導致鐵-硫蛋白中放出鐵離子, 加
劇細胞內氧化反應的傷害
同上 ?1.2~1.6 [18]
Grx, Trx (trxA,
grxB, trxC)
編碼具有還原功能的半胱氨酸硫醇位點的小分子蛋白, 通過硫醇-二硫化
物交換反應減少細胞主要蛋白中的二硫化物受體, 減少超高壓引起的細
胞內蛋白質的變性(超高壓處理會導致蛋白質中的-SH 結合為S-S 使蛋白
質發(fā)生變性, 如β-乳球蛋白)
同上 1.4~2.2 [18]
L.monocytogenes
L13, L19 編碼50 S 核糖體蛋白 400 +2.91~4.7, [57]
cspB 編碼冷休克蛋白。其他編碼與終止和抗終止作用相關的蛋白基因表達量也
有所增加
同上 +8.6 [57]
cspL 同上 +3.53 [57]
S.cerevisiae
hsp30 編碼熱休克蛋白, 其他編碼過氧化物岐化酶、細胞色素C、高滲透壓反應
蛋白等與抗逆相關的基因表達增加2~4 倍
200 +6 [56]
hsp12 同上 +5.7 [56]
表3 超高壓對微生物細胞壁和細胞膜相關基因的影響
Table 3 Effects of HHP on genes associated with the cell wall and membranes of microorganism
名稱 基因功能 壓力MPa 表達變化(倍) 參考文獻
L.monocytogenes
gcaD, glmS,
murACEG, mraY
合成肽聚糖 400~600 +2~4.4 [57]
Upps 的同源基因 編碼磷壁酸、肽聚糖和其他細胞壁組件 同上 +3 ~4.7 [57]
lmo2194–2196
OPP 寡聚蛋白轉運系統(tǒng)和類異戊二烯化合物的合成, 為細胞壁多
肽循環(huán)利用相關基因
同上 ＞+1 [57]
E. coli
rpoE
控制細菌細胞外膜上多肽的折疊和脂多糖的生物合成和運輸,
rpoE 基因缺陷型E. coli 極容易被超高壓殺死
600 +1.5 [59,60]
rpoS
調節(jié)膜脂蛋白基因(cfa, osmB, osmC, osmE, osmY, ybaY)表達。rpoS
過量表達通過增加細胞外膜的彈性提高了細胞的耐壓性; cfa 和
osmB 缺陷型對壓力格外敏感; rpoS, osmB, nlpI 基因缺陷型失去了
細胞膜自我修復能力, rpoS 還負責調控E. coli 從對數(shù)期到穩(wěn)定期
細胞外膜的變化, 包括增加肽聚糖之間連接, 磷脂由單不飽和形
式變?yōu)榄h(huán)丙烷基式。
同上 ＞+1 [59,60]
S. cerevisiae
ERG25 負責細胞膜中麥角固醇的合成 200 +2.73 [56]
OLE1 編碼硬脂酰CoA 脫氫酶, 能提高細胞膜中不飽和脂肪酸的含量 同上 +2.4 [56]
第8 期 李仁杰, 等: 超高壓對食品中微生物的影響 2529
DNA-RNA 形成被抑制[57]。超高壓還會導致E. coli 的DNA
雙螺旋打開, 引發(fā)SOS 反應發(fā)生[53]。超高壓處理后, 微生
物與信息加工和存儲的基因的表達也會發(fā)生變化, 這些基
因包括多種DNA 聚合酶、連接酶的合成基因, 以及許多與
穩(wěn)定和修復DNA 損傷相關的基因, 這些基因表達的變化
都是微生物應對DNA 損傷的反應; 超高壓處理還導致有
關翻譯和核糖體的基因表達量上調, 這些基因負責編碼核
糖體蛋白和翻譯相關蛋白, 以及使tRNA 和rRNA 發(fā)揮功
能性、組裝和穩(wěn)定性的蛋白, 這些基因表達的變化可能與
超高壓引起的核糖體解聚和對翻譯的抑制有關[57,58]。超高
壓對信息加工及存儲基因表達的影響見表4。
4.2.4 其他功能基因
超高壓還會引起微生物與運動、物質代謝、細胞分裂、
分泌蛋白等功能相關的基因的改變, 這些改變能夠提高微
生物的運動能力, 降低能量代謝水平, 維持細胞形態(tài), 幫
助細胞度過不利的生存環(huán)境等[18,57]。超高壓引起其他功能
基因表達變化見表5。
5 結論與展望
作為一種重要的食品非熱殺菌技術, 超高壓首先破
壞微生物的細胞壁與細胞膜, 使微生物失去正常的細胞形
態(tài), 細胞內外正常的物質平衡被打破; 其次, 在超高壓作
用下微生物細胞內許多重要的結構蛋白和酶失活, 導致微
生物正常的物質代謝、能量代謝、基因表達和細胞分裂無
法正常進行; 超高壓還會導致微生物蛋白組和基因組的變
化, 許多抗逆基因過量表達。
目前, 應用于食品生產的超高壓處理還無法徹底殺
滅或抑制低酸性食品中的細菌芽孢,超高壓技術在這類食
品中的應用受到限制, 超高壓結合其他手段應用于低酸性
食品的加工技術還需要進一步的研究; 利用NMR、拉曼光
譜等多種手段研究超高壓對微生物的細胞膜、核糖體等結
構的破壞將更加深入地揭示超高壓殺菌原理; 超高壓對微
生物亞細胞結構、蛋白組和基因組的研究還需深入。
表4 超高壓對微生物信息加工及存儲基因的影響
Table 4 Effects of HHP on information-processing and storage genesof microorganism
名稱 基因功能 壓力MPa 表達變化(倍) 參考文獻
L. monocytogenes
holB, dnaA, recDFNU, dinG, ruvA,
mutS, ssb, sbcC
編碼多種DNA 連接酶和切除酶, 修復DNA 損傷
400~600
＞+1
[57]
hup 編碼具有穩(wěn)定DNA 拓撲結構功能的組蛋白, 調控
基因轉錄和核蛋白組裝
同上 +1.7 [57]
flaR +4.0 [57]
lmo2606, lmo2560 編碼RNA 聚合酶α-亞基和Delta-因子, 補償超高壓
對RNA 的合成的抑制
同上 +2.2, +3.2 [57]
drm, pdp, pnp, guaABupp, udk,
smbA, lmo1939, lmo1463
調控核酸的代謝, 包括核酸的轉換反應和補救合成
途徑, 此類基因表達量下降有利于超高壓處理中受
損RNA 和DNA 的修復
同上 降低 [57]
表5 超高壓對微生物其他基因的影響
Table 5 Effects of HHP on other genes of microorganism
名稱 基因功能 壓力(MPa) 表達量變化(倍) 參考文獻
E. coli
otsA/B
與海藻糖的合成相關
200
+2.1 [18]
L.monocytogenes
cyoABCD
合成細胞色素b0 氧化酶
400~600
降低
[57]
lmo0088–0092,
lmo2528–2530 與多種F1F0-ATP 酶的合成相關 同上 降低 [57]
lmo2389, lm02471 合成NADH 氧化酶/脫氫酶 同上 降低 [57]
secEG, yidC, yajC, ftsY, ffh
與細胞內的蛋白分泌和轉運相關, Sec 調控508 種蛋白
轉運到細胞膜、細胞壁和細胞外, Sec 表達上調起到了
細胞修復作用
同上 ＞+1 [57]
lmo 1269-1271 合成信號肽I 同系物 同上 +4.3 [57]
ftsL, ftsA, ftsI, ftsQ, ftsE,
ftsX; ezrA, divIVA, minC;
mreB, mreD, mpl
合成、調控FtsZ 細胞骨架蛋白; 維持細胞形狀 同上 +1~11.9 [57]
2530 食品安全質量檢測學報 第5 卷
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(責任編輯:趙靜)
作者簡介
李仁杰, 博士研究生, 主要研究方向
為農產品加工及貯藏。
E-mail: lrjcau@gmail.com
廖小軍, 博士, 博士生導師, 教授,
主要研究方向為農產品加工及貯藏。
E-mail: liaoxjun@hotmail.com

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